EP2156217A1 - Procede de surveillance radar des turbulences de sillage - Google Patents
Procede de surveillance radar des turbulences de sillageInfo
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- EP2156217A1 EP2156217A1 EP08750271A EP08750271A EP2156217A1 EP 2156217 A1 EP2156217 A1 EP 2156217A1 EP 08750271 A EP08750271 A EP 08750271A EP 08750271 A EP08750271 A EP 08750271A EP 2156217 A1 EP2156217 A1 EP 2156217A1
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Definitions
- the present invention relates to the field of air traffic control and aviation safety in general. It relates more particularly to the safety rules that govern the relative distances between aircraft following one behind the other the same air corridor, especially during the take-off phase and during the approach and landing phases.
- a first constraint reflects the fact that a jumbo jet produces greater wake turbulence than an average aircraft carrier or small carrier. In this way, and in the absence of any additional parameters, the safety distance to be respected by an aircraft following a large aircraft must, in absolute terms, naturally be greater than in the case where the same aircraft follows a means or a small carrier; especially in the take-off and landing phase. This constraint results in a predictable increase in waiting times during takeoffs and landings for aircraft placed behind a jumbo jib.
- a second constraint reflects the fact that in order to sell an ever-increasing air traffic, it is necessary to speed up the rotations to avoid congestion of the air terminals.
- one solution is to complicate the airport infrastructure to allow aircraft to follow, both during take-off and landing, diverse trajectories (corridors), so that two aircraft can follow each other relatively well. close by taking different takeoff or landing axes allowing each aircraft not to cross the wake of the preceding aircraft while the wake turbulence is still dangerous.
- this solution besides the fact that it requires the installation of relatively sophisticated guidance equipment, which many airports do not have, also does not make it possible to determine whether the safety distance applied to this or that circumstance is a distance just sufficient or if it is on the contrary too widely estimated.
- Another known solution is to try to detect the presence of wake turbulence and the distance of such turbulence by means of sensors.
- Various types of sensors have been studied for the detection of wake turbulence, and in particular Lidar Doppler, pulsed laser emission systems for Doppler measurement.
- the major disadvantage of this type of sensor for operational use is that it can only work properly on a clear day. By fog and rain, the Lidar can no longer be used.
- the Lidar although having a good angular resolution, better in particular than a Radar, has lower resolution distance and doppler.
- the Lidar is unable to measure certain details on the geometry of the turbulence spiral which make it possible in particular to determine its state of weakening so that insufficient knowledge of the detected turbulence is obtained.
- current Lidar systems are not able to monitor, within a compatible timeframe of operational requirements, a sector of space large enough to allow effective surveillance of an airport area.
- An object of the invention is to propose a method making it possible, in the general context of an airport traffic, to determine for a given aircraft whether it is at a sufficient distance from the aircraft which precedes it on its route to not suffer the effects of the wake turbulence caused by the preceding aircraft while he himself is in a vulnerable situation, take-off or landing, for example.
- the challenge is here, to be able to determine in real time and in any weather (clear weather, fog, rain, ...) the behavior of these wake turbulences in order to be able according to the configuration of the tracks and the weather conditions, dynamically adjust the safety distance between aircraft, while ensuring a high level of safety.
- the subject of the invention is a method for detecting and qualifying the state and revolution of a wake turbulence caused by an aircraft, based on the radar signals reflected by this turbulence, these signals being analyzed through flight cells.
- dimension analysis given in distance and deposit characterized in that it comprises:
- a second main step for determining the force of the detected turbulence;
- a third main step for determining the age of the turbulence detected as well as the geometric parameters that characterize it;
- the first main step itself comprises:
- a first high-resolution spectral decomposition step a second step of calculating the entropy S of the high-resolution doppler spectrum of the received signal
- this first main step providing information on the position of the detected turbulence and information on the richness of the spectrum of the corresponding received signal.
- the second main step itself comprises:
- a second doppler spectrum normalization step obtained; a third step of detecting the significant level components of the doppler spectrum, by comparison with a fixed threshold,
- this second main step providing information on the strength of the detected turbulence
- the third main step itself comprises:
- this third main step providing information on the stage of evolution of the turbulence detected and information on the geometry thereof.
- FIGS. 1 to 3 schematic illustrations of the wake turbulence phenomenon
- FIG. 4 an illustration of the evolution over time of such turbulence
- FIG. 5 a block diagram of the method according to the invention
- FIG. 6 a spectrogram schematically representing a revolution of the components of the doppler spectrum of the signal corresponding to a recently formed threshold turbulence
- FIG. 7 a spectrogram showing schematically the evolution of the components of the doppler spectrum of the signal corresponding to an evolving threshold turbulence
- FIG. 8 a spectrogram showing schematically the evolution of the components of the doppler spectrum of the signal corresponding to an endangered threshold turbulence.
- FIGS. 1 to 4 which schematically illustrate the wake turbulence phenomenon created by an aircraft 11, are firstly considered.
- the wake turbulence is concretized by the creation at the rear of the aircraft of two windings 21 and 22 (vortices) which cause rotations in the opposite direction of the air mass. This is called “counter-rotating" rolls.
- Each roller 21, 22 is in the form of a spiral whose points are located with respect to the center at a distance r ( ⁇ ) that varies exponentially as a function of the number of revolutions made to join the point considered in the center.
- Each roll is further characterized by its core 31 of radius r c .
- a turbulence is generally characterized by its size, through the distance b 0 which separates the centers of the two rollers (vortex) which constitutes it. This distance is given by the following relation:
- the factor s is equal to ⁇ / 4, so that b 0 is substantially equal to the 3 A of span B.
- This turbulence is also characterized, in known manner, by the tangential velocity of the mass of air inside the two rollers 21 and 22.
- This velocity follows an exponential law, with increasing tangential velocity from the center to the periphery at the inside of the heart 31 of the roll at the radius r c of the heart, and a decrease as a function of the radius r ( ⁇ ) outside the heart. It can thus be defined in known manner by the following relations:
- rv (r) V max for 0 ⁇
- ⁇ r c [3] and rcv (r) V max for r c ⁇
- V max [5]
- the tangential speed inside the rollers can thus reach on average, or even exceed, +/- 10 m / s.
- This turbulence is further characterized, in a known manner, by the circulation r of the speed of the air masses in the turbulence.
- the circulation r which represents the kinetic momentum (in m 2 / s) of the tangential velocity of the air mass (integral of the product of the tangential velocity V ⁇ to the roll by its radius r ( ⁇ )) makes it possible to characterize the force wake turbulence.
- the initial value of the traffic, T 0 is defined as a quantity proportional to the weight of the aircraft and inversely proportional to its size and speed.
- M represents the mass of the aircraft
- V its speed and B its wingspan.
- the parameters g, p and s respectively represent the gravitational acceleration, a parameter characteristic of the wing geometry of the aircraft and a factor equal to ⁇ / 4.
- This wake turbulence can further be influenced by the wind so that the two rollers, or vortices, are also subject to the eventual action of the wind and can be carried by the crosswind.
- wake turbulence decreases and dies as a function of the natural turbulence of the atmosphere, characterized by TKE (or “Turbulent Kinetic Energy” according to the Anglo-Saxon) and EDR ( or “Eddy Dissipation Rate” according to the English name), but also under the action of self-destruction phenomena by "Crow wave” related to the winding of the rollers on themselves.
- TKE or "Turbulent Kinetic Energy” according to the Anglo-Saxon
- EDR or “Eddy Dissipation Rate” according to the English name
- the first zone corresponds to the ILS intercept zone (entry point of the approach cone defined by the ILS located from 700 m to 1000 m above ground). In this zone, in fact, planes coming from different directions are aligned on the ILS downhill axis by generating wake turbulence at this point that an aircraft entering the cone of approach will have to cross.
- the second zone corresponds to the final approach to the ground because of the rebound phenomena described above.
- each aircraft not only be able to detect the presence of turbulence in front of it, but also that aircraft can estimate the strength of the disturbance generated by the detected turbulence.
- FIG. 5 presents the principle flowchart of the method for detecting and characterizing wake turbulence.
- the method according to the invention carries out for this purpose three distinct main steps:
- a second main step 52 which makes it possible to determine the force of the turbulence detected
- a third main step 53 that makes it possible to determine both the age of the turbulence detected as well as the geometric parameters that characterize it.
- the data processed by the method according to the invention consists of the received radar signal samples.
- Each signal sample here corresponds in a known manner to the signal coming from a cell of space determined by its radial distance and its bearing and its size in distance and bearing, which size defines in a known manner the resolution of the received signal.
- Each signal sample is defined in amplitude and in phase by a real component I and an imaginary component Q.
- the method according to the invention delivers the following information:
- the task 51 of detection is carried out in several steps:
- a first high-resolution doppler analysis step 51 1 of the received signal a second step 512 for calculating the entropy of the doppler spectrum determined in the previous step
- the high-resolution doppler analysis step 51 1 is performed by implementing a self-regressive filter analysis method making it possible to determine for each cell (distance, azimuth) a spectral model of the signal received by its reflection coefficients. ⁇ n from restricted sequences of signal samples. To calculate the coefficients ⁇ n It is possible to use any known method such as the Burg lattice algorithm for example.
- the method used to determine the order of the model and the coefficients ⁇ n is the doppler analysis method by "regulated autoregressive" filtering described in the French patent applications filed by the Applicant on 13/06/1995 under the number 95 06983, and the 06/03/2005 under the number 05 09095, which method makes it possible to satisfactorily estimate the coefficients ⁇ n of the autoregressive model at from a restricted sequence of signal samples.
- This method which is not detailed here, consists in particular in associating an autoregressive block lattice filtering using the Burg algorithm or a "MUSIC" (Multiple Signal Classification) algorithm with a so-called regularization method consisting in applying at each coefficient ⁇ n obtained a coefficient advantageously making it possible to limit the consequences of the numerical instabilities generated by the autoregressive filtering when the number of available samples is small.
- the coefficients ⁇ n obtained are then called “regularized”.
- Step 51 1 is followed by a step 512 in which the coefficients ⁇ n are used to calculate the entropy S of the doppler spectrum obtained.
- This entropy which characterizes the richness of the spectrum in spectral components, has for expression:
- step 513 the entropy S calculated for each of the cells (distance, azimuth) is compared with a threshold S i, set according to probability detection criteria and false alarm probability. In this way, each cell having an entropy S greater than the threshold Si is detected and considered as an area where the air mass has a disturbance related to wake turbulence.
- task 52 is to characterize the force of the detected turbulence. It therefore only applies to cells for which spot 51 has produced a detection. Like task 51 it is also carried out in several stages:
- a first step 521 during which a conventional spectral analysis of the spectrum of the received signal is carried out; a second step 522 of standardization of the level of the spectral components;
- a fourth step 524 during which the circulation r of the tangential velocity characterizing the turbulence is calculated
- a fifth step 525 during which the variance L of the same tangential velocity is calculated.
- the first step 521 is carried out by applying the conventional spectral analysis method, for example by Fourier transformation. This spectral analysis makes it possible to determine the components of the Doppler spectrum that characterizes turbulence. It is followed by step 522 which aims to normalize the Doppler spectrum obtained relative to an ambient signal level in the frequency plan. This normalization of the signal spectrum on the frequency axis can for example be carried out for each frequency from the average value and the variation of the level of the spectrum in the vicinity of the frequency considered, by known methods of the TFAC type (ie "Rate False Alarm Constant ").
- the normalization step 522 is followed by a step 523 for detecting the significant spectral components, ie the spectral components that characterize the turbulence.
- the detection is carried out here by comparing the normalized level of each spectral component with a threshold S 2 .
- Each component whose level exceeds the threshold is here chosen to characterize the turbulence.
- step 524 calculates the circulation r of the tangential velocity of the air masses in the cell in question. This is defined in a known way (to an arbitrary factor) by the following proportionality relation:
- F (Vj) represents the value of the velocity component Vi (of frequency fi) considered of the doppler spectrum of the received signal.
- This circulation represents, as it was said before, the kinetic momentum (in m 2 / s) of the tangential velocity of the air masses inside the turbulence, ie the integral of the product of the tangential velocity V ⁇ to the movement of the air mass at a point in the vortex considered by the distance r ( ⁇ ) from this point to the center of the vortex.
- She permits advantageously to characterize the global force of the wake turbulence detected in the cell (distance, azimuth) considered.
- step 525 proceeds, from significant spectral components, to the calculation of the reduced variance L of the tangential velocity of the air masses in the cell in question. This is defined in a known way (to an arbitrary factor) by the following proportionality relation:
- the variance L advantageously makes it possible to characterize the global force of the wake turbulence detected in the cell (distance, azimuth) considered. It characterizes in fact the dispersion of the disturbance of the air masses created by the turbulence and therefore the more or less agitated nature of these air masses.
- the cell of which the spot 51 provides the position is obtained two pieces of information L and r, making it possible to characterize the force of the turbulence. detected.
- the task 53 has the dual object of enabling the determination of certain geometrical parameters relating to the turbulence detected, as well as of making it possible to determine the age of the turbulence or, more exactly, its degree of evolution. .
- it comprises the following steps:
- a first step 531 which proceeds, for each of the cells (distance, bearing), to the determination of the components of the doppler spectrum of the received signal, a second step 532 which proceeds, only for the cells in which turbulence has been detected, to the analysis of the variations over time of the frequencies of the spectral components of the signal.
- the first step 531 is performed from the autoregressive model determined during the high resolution Doppler analysis step 511. It consists mainly in determining the eigenfrequencies of the model by calculating the roots of the polynomial characterizing the model. Thus, a fine spectral decomposition of the received signal is advantageously obtained.
- the second step 532 consists in analyzing the evolution of the doppler spectrum over a period of analysis time ⁇ t during which the radar detection means are directed on the cell (distance, azimuth) considered. According to the invention for each cell in which a turbulence has been detected, the slope of variation, over time, of the frequency of each of the components of the doppler spectrum is estimated. This analysis advantageously allows, as illustrated in FIGS. 6 to 8, to determine the stage of evolution of the turbulence detected.
- FIG. 6 schematically shows in the plane (time, doppler speed), for a given cell (distance, azimuth), the evolution over time of the frequency of the spectral components of the signal corresponding to a recently formed turbulence.
- the Doppler frequencies are represented by the corresponding speeds expressed in m / s.
- the turbulence is characterized by a spectrum whose components expressed in the Doppler velocity space (ie between 0 m / s and ⁇ V max ) are numerous and narrowed.
- these components all have evolution slopes 61 of positive sign, the value of each of the components increasing over time.
- Figure 7 similarly shows the evolution over time of the frequency of the spectral components of the signal corresponding to a turbulence that can be described as mature.
- Such turbulence is characterized by a spectrum whose components are fewer and more distant.
- the Doppler frequency (and therefore the speed) is increasing over time, while for some others the Doppler frequency (and thus the speed) decreases over time.
- Some spectral components thus have slopes of evolution 73 of positive sign and others slopes of evolution 74 of negative sign.
- FIG. 8 similarly shows the evolution over time of the frequency of the spectral components of the signal corresponding to a turbulence in the process of extinction.
- the turbulence is characterized by a spectrum whose components 81 are few in number and spread in frequency. In addition, these components all have evolution slopes 82 of negative sign, the Doppler frequency (and thus the speed) of each of the decreasing components over time.
- the turbulence sees its tangential speed decreasing and with it its strength.
- Such turbulence in the process of extinction no longer produces, although still being detectable, a disturbance of moderate intensity of the air masses in the cell in question. Depending on the size of the aircraft likely to cross it, it therefore no longer represents, if not no threat, at least a moderate threat.
- the estimation of the slopes of variation of velocities over time can be carried out by various known semi-graphic or even algebraic graphical methods, from the eigenvalue values provided by step 531. These methods, which are otherwise known, are not known. described here.
- the observation time ⁇ t is in turn determined according to the radar detection equipment used and in particular, in the case of a scanning radar, by the time interval separating two periods passing the radar beam in the same direction of observation and therefore on the same cell (distance, bearing).
- the determination of the evolution slopes of the Doppler frequencies also advantageously makes it possible to determine certain parameters related to the geometry of the turbulence, in particular the factor b of the relation [1 ] defining r ( ⁇ ) and characterizing the opening of the spiral constituting a roller (vortex) 21. Indeed, if we consider the relations [3] and [5], we can write:
- the evolution of the Doppler spectrum over time as represented on the spectrograms of FIGS. 6 to 8, and the variation ⁇ V (r) of the velocity as a function of the radius is determined by considering the variation slopes of two spectral components 83 and 84.
- the method according to the invention proposes, beyond what is proposed by the methods of the known prior art, a method for determining not only the presence of turbulence. wake in a given area of space, but also the force of this turbulence, ie the negative impact it could have on the flight conditions of an aircraft to cross the space zone considered.
- This characterization of the turbulence is furthermore advantageously completed by the characterization of the stage of evolution of the turbulence (young, mature, or endangered turbulence). This information on the stage of evolution makes it possible in particular to determine the time during which the turbulence detected is likely to represent a threat.
- This characterization is further advantageously completed by the determination of the parameters relating to the geometry of the turbulence, the parameter b in particular.
- this information advantageously makes it possible, when a wake turbulence caused by the passage of an aircraft is detected, to determine optimally, taking particular account of aerology. of the zone (presence of crosswind), the most appropriate safety distance that must be respected, for their own safety, the aircraft located in the wake of the aircraft causing the turbulence. It is thus possible to substitute this optimum safety distance, accurately estimated and determined without prior assumption on the aircraft that caused the turbulence, at a safety distance determined a priori simply according to the template of this aircraft.
- the method according to the invention is described in its most complete form, that comprising a first detection step 51, then two independent steps 52 and 53 of characterization of the detected turbulence.
- steps 52 and 53 are independent of each other, it is possible, for example, to implement, without departing from the scope of the patent, simply the steps of detection 51 and estimation 52 of the force. detected turbulence; or simply the detection steps 51 and 53 age determination and geometric parameters of the detected turbulence.
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Abstract
La présente invention concerne un procédé pour détecter et qualifier l'état et révolution d'une turbulence de sillage provoquée par un aéronef, à partir des signaux radars réfléchis par cette turbulence, ces signaux étant analysés au travers de cellules d'analyse de dimension données en distance et gisement. Ce procédé comporte principalement: - une première étape préliminaire de détection proprement dite pour détecter et de localiser une turbulence dans une cellule, - une deuxième étape pour déterminer la force de la turbulence détectée, - une troisième étape pour déterminer l'âge de la turbulence détectée ainsi que les paramètres géométriques qui la caractérisent. Le procédé selon l'invention permet avantageusement de détecter lune turbulence de sillage et de déterminer à la fois la position et la force de celle-ci ainsi que son stade d'évolution. L'invention s'applique en particulier au domaine du contrôle du trafic aérien et de la sécurité aérienne en général.
Description
PROCEDE DE SURVEILLANCE RADAR DES TURBULENCES DE
SILLAGE
La présente invention concerne le domaine du contrôle du trafic aérien et de la sécurité aérienne en général. Elle concerne plus particulièrement les règles de sécurité qui régissent les distances relatives entre aéronefs suivant l'un derrière l'autre un même couloir aérien, notamment lors des phases de décollage et lors des phases d'approche et d'atterrissage.
Dans le domaine du contrôle du trafic aérien, les distances de sécurité entre avions, normes dictées par l'OACI (Organisation de l'Aviation Civile Internationale) ont été établies afin d'éviter les dangers liés à la rencontre par les avions des turbulences de sillage (ou "Wake Vortex" selon la dénomination anglo-saxonne) générées par un avion qui les précède. Une telle turbulence est en effet particulièrement dangereuse lorsque l'avion qui la traverse est dans une situation de vulnérabilité, telle que celle qu'il connaît lors des phases de décollage et d'atterrissage, en particulier au niveau de l'entrée dans la zone de guidage par l'ILS ( i.e. "Instrument Landing System" selon la dénomination anglo-saxonne) pour l'approche de la piste à l'atterrissage, alors qu'il se trouve à une distance relativement faible du sol et dans des zones de navigation relativement encombrées.
Actuellement, pour des raisons de sécurité, et du fait que l'évolution au cours du temps de ces turbulences est relativement mal connue, les distances séparant deux aéronefs, imposées par l'OACI, correspondent à des marges de sécurité importantes. Ces distances de sécurité ne prennent en particulier pas en compte des conditions météorologiques (turbulence naturelle de l'atmosphère) qui conditionnent la vitesse d'affaiblissement du phénomène, ni les conditions aérologiques (vent de travers par exemple) qui conditionnent son déplacement dans l'espace.
Face à l'augmentation constante et rapide du trafic aérien et à l'arrivée de nouveaux avions gros porteurs (Airbus A380 et Boeing B747-8), un double problème se pose lié aux deux contraintes antagonistes suivantes:
- une première contrainte traduit le fait qu'un avion gros porteur produit des turbulences de sillage plus importantes qu'un avion moyen
porteur ou petit porteur. De la sorte, et en l'absence de paramètres complémentaires, la distance de sécurité que doit respecter un avion qui suit un gros porteur doit être, dans l'absolu, naturellement plus importante que dans le cas où le même avion suit un moyen ou un petit porteur; en particulier en phase de décollage et d'atterrissage. Cette contrainte se traduit par un allongement prévisible des temps d'attente lors des décollages et des atterrissages pour les avions se trouvant placés derrière un gros porteur.
- une seconde contrainte traduit le fait que pour écouler un trafic aérien sans cesse plus important, il est nécessaire d'accélérer les rotations pour éviter l'engorgement des terminaux aériens.
Face à ces contraintes antagonistes, une solution consiste à complexifier les infrastructures aéro portuaires pour permettre aux aéronefs de suivre, tant au décollage qu'à l'atterrissage, des trajectoires (couloirs) diversifiées, de sorte que deux avions puissent se suivre de façon relativement proche en empruntant des axes de décollage ou d'atterrissage différents permettant à chaque avion de ne pas traverser le sillage de l'avion qui précède alors que la turbulence de sillage est encore dangereuse. Cependant cette solution, outre le fait qu'elle nécessite la mise en place d'équipements de guidage relativement sophistiqués, dont beaucoup d'aéroports sont dépourvus, ne permet pas non plus de déterminer si la distance de sécurité appliquée à telle ou telle circonstance est une distance juste suffisante ou si elle est au contraire trop largement estimée.
Une autre solution connue consiste à essayer de détecter la présence de turbulences de sillage et la distance de telles turbulences au moyen de senseurs. Différents types de senseurs ont été étudiés pour la détection des turbulences de sillage, et en particulier les Lidar Doppler, systèmes à émission Laser puisée permettant de faire une mesure Doppler. L'inconvénient majeur de ce type de senseur pour une utilisation opérationnelle, est qu'il ne peut fonctionner correctement que par temps clair. Par brouillard et temps de pluie, le Lidar ne peut plus être employé. De plus le Lidar, bien que possédant une bonne résolution angulaire, meilleure en particulier qu'un Radar, dispose de résolutions distance et doppler plus faibles. En particulier, le Lidar est incapable de mesurer certains détails sur
la géométrie de la spirale de turbulence qui permettent en particulier de déterminer son état d'affaiblissement de sorte qu'on obtient une connaissance insuffisante de la turbulence détectée. De plus, les systèmes Lidars actuels ne sont pas en mesure de surveiller, dans un laps de temps compatible des besoins opérationnels, un secteur de l'espace suffisamment large pour permettre une surveillance efficace d'une zone aéro portuaire.
Un but de l'invention est de proposer une méthode permettant, dans le contexte général d'un trafic aéro portuaire, de déterminer pour un avion donné s'il est à une distance suffisante de l'avion qui le précède sur sa route pour ne pas subir les effets de la turbulence de sillage provoqué par l'avion qui précède alors que lui-même se trouve dans une situation vulnérable, en phase de décollage ou d'atterrissage par exemple.
L'enjeu est ici, de pouvoir déterminer en temps réel et par tout temps (temps clair, brouillard, pluie,...) le comportement de ces turbulences de sillage afin de pouvoir en fonction de la configuration des pistes et des conditions météos, régler de façon dynamique la distance de sécurité entre avions, tout en assurant un niveau de sûreté élevé.
A cet effet l'invention a pour objet un procédé pour détecter et qualifier l'état et révolution d'une turbulence de sillage provoquée par un aéronef, à partir des signaux radars réfléchis par cette turbulence, ces signaux étant analysés au travers de cellules d'analyse de dimension données en distance et gisement, caractérisé en ce qu'il comporte:
- une première étape principale préliminaire de détection proprement dite pour détecter et de localiser une turbulence dans une cellule,
- une deuxième étape principale pour déterminer la force de la turbulence détectée, - une troisième étape principale pour déterminer l'âge de la turbulence détectée ainsi que les paramètres géométriques qui la caractérisent;
la deuxième et la troisième étape étant mises en œuvre en parallèle, indépendamment l'une de l'autre, pour chaque cellule d'analyse pour laquelle une turbulence a été détectée à l'issue de la première étape.
Selon l'invention, la première étape principal comporte elle-même:
- une première étape de décomposition spectrale à haute résolution - une deuxième étape de calcul de l'entropie S du spectre doppler à haute résolution du signal reçu,
- troisième étape de détection de la présence d'une turbulence pour chaque cellule d'observation, par comparaison à un seuil fixé du niveau de l'entropie S mesuré pour cette cellule;
cette première étape principale fournissant une information sur la position de la turbulence détectée et une information sur la richesse du spectre du signal reçu correspondant.
Selon, l'invention, la deuxième étape principale comporte elle-même:
- une première étape de décomposition spectrale par transformation de Fourrier du signal reçu,
- une deuxième étape de normalisation du spectre doppler obtenu, - une troisième étape de détection des composantes de niveau significatif du spectre doppler, par comparaison par rapport à un seuil fixé,
- une quatrième étape de calcul de la circulation r de la vitesse tangentielle V(r) à l'intérieur de la turbulence,
- une cinquième étape de calcul de la variance L de la vitesse tangentielle V(r) à partir des composantes significatives du spectre doppler;
cette deuxième étape principale fournissant une information sur la force de la turbulence détectée
Selon l'invention, la troisième étape principale comporte elle-même:
- une première étape de détermination des composantes fréquentielles du spectre doppler à haute résolution du signal reçu par détermination des racines du polynôme caractéristique du modèle autorégressif du signal reçu
- une deuxième étape d'analyse de la densité des composantes du spectre doppler et de la pente de variation de la valeur de ces composantes au cours du temps d'analyse;
cette troisième étape principale fournissant une information sur le stade d'évolution de la turbulence détectée et une information sur la géométrie de celle-ci.
Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose l'invention au travers d'un mode de réalisation particulier pris comme exemple non limitatif et qui s'appuie sur les figures annexées, figures qui présentent:
- les figures 1 à 3, des illustrations schématiques du phénomène de turbulence de sillage,
- la figure 4, une illustration de l'évolution au cours du temps d'une telle turbulence,
- la figure 5, Un synoptique de principe du procédé selon l'invention,
- la figure 6 un spectrogramme représentant de manière schématique révolution des composantes du spectre doppler du signal correspondant à une turbulence de seuil récemment formée,
- la figure 7, un spectrogramme représentant de manière schématique l'évolution des composantes du spectre doppler du signal correspondant à une turbulence de seuil en cours d'évolution,
- la figure 8, un spectrogramme représentant de manière schématique l'évolution des composantes du spectre doppler du signal correspondant à une turbulence de seuil en voie de disparition.
On considère dans un premier temps les figures 1 à 4 qui illustrent de manière schématique, le phénomène de turbulence de sillage créé par un aéronef 1 1 . Comme l'illustre ces trois figures, la turbulence de sillage se concrétise par la création à l'arrière de l'aéronef de deux enroulements 21 et 22 (vortex) qui provoquent des rotations en sens opposé de la masse d'air. On parle ainsi de rouleaux "contre-rotatifs".
Chaque rouleau 21 , 22 se présente comme une spirale dont les points sont situés par rapport au centre à une distance r(θ) variant de manière exponentielle en fonction du nombre de révolutions effectuées pour joindre le point considéré au centre. On peut ainsi écrire la relation:
r ( θ )=a-e bθ pour θ variant de 0 à N π (N entier). [1 ]
où a et b représentent les paramètres géométriques de la spirale.
Chaque rouleau est en outre caractérisé par son noyau 31 de rayon rc.
Il est connu d'évaluer le danger lié aux turbulences de sillage provoquées par un aéronef, en déterminant la valeur de certaines caractéristiques physiques. Ainsi une turbulence est généralement caractérisée par sa taille, au travers de la distance b0 qui sépare les centres des deux rouleaux (vortex) qui la constitue. Cette distance est donnée par la relation suivante:
bo = s - B [2]
dans laquelle B représente l'envergure de l'avion, comme illustré par la figure
1 .
Le facteur s est quant à lui égal à π/4, de sorte que b0 est sensiblement égale aux 3A de l'envergure B.
Cette turbulence est également caractérisée, de manière connue, par la vitesse tangentielle de la masse d'air à l'intérieur des deux rouleaux 21 et 22. Cette vitesse suit une loi exponentielle, avec augmentation de la vitesse tangentielle du centre vers la périphérie à l'intérieur du cœur 31 du rouleau au rayon rc du cœur, et une décroissance en fonction du rayon r(θ) à l'extérieur du cœur. Elle peut ainsi être définie de manière connue par les relations suivantes:
r v ( r )= V max pour 0 < | r| < rc [3]
et r c v ( r )= V max pour rc ≤ |r| [4] r
Vmax étant défini par la relation: Vmax = [5]
2 • π • r 1 C~
où r représente la circulation du vecteur V le long de la spirale formant le rouleau.
La vitesse tangentielle à l'intérieur des rouleaux peut ainsi atteindre en moyenne, voire dépasser, +/- 10 m/s.
Cette turbulence est encore caractérisée, de manière connue, par la circulation r de la vitesse des masses d'air dans la turbulence. La circulation r qui représente le moment cinétique (en m2/s) de la vitesse tangentielle de la masse d'air (intégrale du produit de la vitesse tangentielle Vτ au rouleau par son rayon r(θ)) permet de caractériser la force de la turbulence de sillage. La valeur initiale de la circulation, T0, est définie, comme une grandeur proportionnelle au poids de l'avion et inversement proportionnel à son envergure et sa vitesse. On peut ainsi écrire:
Γ- B
où M représente la masse de l'aéronef, V sa vitesse et B son envergure. Les paramètres g, p et s représentent quant à eux respectivement l'accélération de pesanteur, un paramètre caractéristique de la géométrie des ailes de l'aéronef et un facteur égal à π/4.
Il est par ailleurs connu que la turbulence de sillage créée par un aéronef évolue au cours du temps, cette évolution comme l'illustre la figure 4, les deux rouleaux 21 et 22 évoluent au cours du temps. Ils perdent ainsi naturellement de l'altitude (du fait de la contre-rotation) avec une vitesse Vd
inversement proportionnelle à l'envergure B de l'aéronef, donnée par la relation suivante:
Vd = r° = — ^ [7] d 2 - ττ - bo 2 - ττ - s - B
On obtient ainsi, pour des avions de taille moyenne une vitesse de descente de l'ordre de 2 m/s en moyenne.
Cette turbulence de sillage peut en outre subir l'influence du vent de sorte que les deux rouleaux, ou vortex, sont également soumis à l'action éventuelle du vent et peuvent être transportés par le vent de travers.
Par ailleurs il est connu que quand une turbulence se situe à proximité du sol, elle est soumise également à d'autres phénomènes plus complexes, tels que des phénomènes de cisaillement de vent qui font tourner chaque rouleau l'un par rapport à l'autre, ou encore des phénomènes de rebond sur le sol faisant apparaître des rouleaux parasites miroirs.
Il est enfin connu que, de façon naturelle, les turbulences de sillage décroissent et meurent en fonction de la turbulence naturelle de l'atmosphère, caractérisée par les grandeurs TKE (ou "Turbulent Kinetic Energy" selon la dénomination anglo-saxonne) et EDR ( ou "Eddy Dissipation Rate" selon la dénomination anglo-saxonne), mais également sous l'action de phénomènes d'autodestruction par « onde de Crow » liés à l'enroulement des rouleaux sur eux-mêmes. Cette décroissance et cette mort se traduisent en particulier par une perte progressive de force et une diminution de la vitesse des masses d'air à l'intérieur de la turbulence. Ainsi une turbulence donnée subit une phase de croissance, suivie d'une phase de décroissance et d'extinction.
En ce qui concerne les turbulences de sillage, des enquêtes, menées auprès de pilotes d'aéronefs, ont montré que les zones les plus dangereuses lors de l'approche sur un aéroport sont au nombre de deux. La première zone correspond à la zone d'interception ILS (point d'entrée du cône d'approche défini par l'ILS situé de 700 m à 1000 m au dessus du sol). Dans
cette zone, en effet, des avions venant de différentes directions s'alignent sur l'axe de descente défini par l'ILS en générant en ce point des turbulences de sillage qu'un aéronef entrant dans le cône d'approche va devoir traverser. La seconde zone correspond à l'approche finale au sol à cause des phénomènes de rebond décrits précédemment. Pour ces deux zones, dans lesquelles les aéronefs évoluent de manière proche les uns des autres à des altitudes faibles, voire très faible, il est donc nécessaire que chaque aéronef puisse non seulement détecter la présence d'une turbulence devant lui, mais aussi que cet aéronef puisse estimer la force de la perturbation générée par la turbulence détectée.
On s'intéresse à présent à la figure 5 qui présente l'organigramme de principe du procédé de détection et de caractérisation d'une turbulence de sillage. Le procédé selon l'invention, réalise à cet effet trois étapes principales distinctes:
- une première étape principale préliminaire 51 de détection proprement dite qui permet de détecter et de localiser une turbulence,
- une deuxième étape principale 52 qui permet de déterminer la force de la turbulence détectée,
- une troisième étape principale 53 qui permet de déterminer à la fois l'âge de la turbulence détectée ainsi que les paramètres géométriques qui la caractérise.
Les données 54 traitées par le procédé selon l'invention sont constituées par les échantillons de signal radar reçu. Chaque échantillon de signal correspond ici de manière connue au signal provenant d'une cellule de l'espace déterminé par sa distance radiale et son gisement et sa taille en distance et gisement, taille qui définit de manière connue la résolution du signal reçu. Chaque échantillon de signal est défini en amplitude et en phase par une composante réelle I et une composante imaginaire Q.
A partir de ces données d'entrée, le procédé selon l'invention délivre les informations suivantes:
- la position 55 de la turbulence détectée, - une information 56 sur la richesse spectrale du signal correspondant,
- des informations 57 relatives à la force de la turbulence détectée,
- une information 58 sur l'âge de la turbulence détectée,
- la valeur 59 des paramètres géométriques caractérisant la turbulence.
Selon l'invention la tâche 51 de détection est réalisée en plusieurs étapes:
- une première étape 51 1 d'analyse doppler à haute résolution du signal reçu, - une seconde étape 512 de calcul de l'entropie du spectre doppler déterminé à l'étape précédente,
- une troisième étape 513 de détection proprement dite.
L'étape 51 1 d'analyse doppler à haute résolution est réalisée en mettant en œuvre une méthode d'analyse par filtrage auto-régressif permettant de déterminer pour chaque cellule (distance, azimut) un modèle spectral du signal reçu par ses coefficients de réflexion μn à partir de séquences restreintes d'échantillon de signal. Pour calculer les coefficients μn II est possible d'utiliser toute méthode connue telle que l'algorithme en treillis de Burg par exemple. Cependant, dans une forme préférée de mise en œuvre du procédé selon l'invention, la méthode mise en œuvre pour déterminer l'ordre du modèle et les coefficients μn est la méthode d'analyse doppler par filtrage "autorégressif régularisé" décrite dans les demandes de brevets français déposées par la demanderesse le 13/06/1995 sous le numéro 95 06983, et le 06/09/2005 sous le numéro 05 09095, méthode qui permet d'estimer de manière satisfaisante les coefficients μn du modèle autorégressif à partir d'une suite restreinte d'échantillon de signal. Cette méthode, non détaillée ici, consiste en particulier à associer un filtrage autorégressif en treillis par blocs mettant en œuvre l'algorithme de Burg ou encore un algorithme de type "MUSIC" (Multiple Signal Classification) à une méthode dite de régularisation consistant à appliquer à chaque coefficient μn obtenu un coefficient permettant avantageusement de limiter les conséquences des instabilités numériques engendrées par le filtrage autorégressif lorsque le nombre d'échantillons disponible est faible. Les coefficients μn obtenus sont alors dits "régularisés".
L'étape 51 1 est suivie par une étape 512 durant laquelle les coefficients μn sont utilisés pour calculer L'entropie S du spectre doppler obtenu. Cette entropie qui caractérise la richesse du spectre en composantes spectrales a pour expression:
où N représentent le nombre de coefficients μn du modèle défini à l'étape 51 1 . Par suite, au cours de l'étape 513, l'entropie S calculée pour chacune des cellules (distance, azimut) est comparée à un seuil S-i , fixé en fonction de critères de probabilité de détection et de probabilité de fausse alarme. De la sorte, chaque cellule présentant une entropie S supérieure au seuil Si est détectée et considérée comme une zone où la masse d'air présente une perturbation liée à une turbulence de sillage. A l'issue de l'étape 513 de la tâche 51 on dispose ainsi d'une cartographie des cellules (distance, azimut) dans lesquelles une turbulence a pu être détectée.
Selon l'invention la tâche 52 a pour objet de caractériser la force des turbulences détectées. Elle ne s'applique donc que sur les cellules pour lesquelles la tache 51 a produit une détection. Comme la tâche 51 elle est également réalisée en plusieurs étapes:
- une première étape 521 durant laquelle on effectue une analyse spectrale classique du spectre du signal reçu, - une deuxième étape 522 de normalisation du niveau des composantes spectrales,
- une troisième étape 523 de détection des composantes spectrales significatives,
- une quatrième étape 524, durant laquelle on calcule la circulation r de la vitesse tangentielle caractérisant la turbulence,
- une cinquième étape 525, durant laquelle on calcule la variance L de cette même vitesse tangentielle.
La première étape 521 est réalisée en appliquant la méthode d'analyse spectrale classique, par transformation de Fourier par exemple. Cette analyse spectrale permet de déterminer les composantes du spectre doppler qui caractérise la turbulence. Elle est suivie par l'étape 522 qui a pour objet de normaliser le spectre doppler obtenu par rapport à un niveau ambiant de signal dans le plan des fréquences. Cette normalisation du spectre du signal sur l'axe fréquentiel peut par exemple être réalisée pour chaque fréquence à partir de la valeur moyenne et la vahance du niveau du spectre au voisinage de la fréquence considérée, par des procédés connus de type TFAC (i.e. "Taux de Fausse Alarme Constant").
L'étape de normalisation 522 est suivi d'une étape 523 de détection des composantes spectrales significatives, c'est à dire des composantes spectrales qui caractérisent la turbulence. Comme lors de l'étape 513, la détection est ici réalisée en comparant le niveau normalisé de chaque composante spectrale à un seuil S2. Chaque composante dont le niveau dépasse le seuil, est ici retenue pour caractériser la turbulence.
Les composantes spectrales significatives ayant été déterminées, l'étape 524 procède au calcul de la circulation r de la vitesse tangentielle des masses d'air dans la cellule considérée. Celle-ci est définie de manière connue (à un facteur arbitraire près) par la relation de proportionnalité suivante:
^max
2- } V1 2 - [F(Vj)^ -ClV1 r oc — % [9] vmax
J [F(V1)] -d V1
''min
où F(Vj) représente la valeur de la composante de vitesse Vi (de fréquence fi) considérée du spectre doppler du signal reçu.
Cette circulation représente, comme il a été dit précédemment, le moment cinétique (en m2/s) de la vitesse tangentielle des masses d'air à l'intérieur de la turbulence, c'est à dire l'intégrale du produit de la vitesse tangentielle Vτ au mouvement de la masse d'air en un point du vortex considéré par la distance r(θ) de ce point au centre du vortex. Elle permet
avantageusement de caractériser la force globale de la turbulence de sillage détectée dans la cellule (distance, azimut) considérée.
Parallèlement à l'étape 524, l'étape 525 procède quant à elle, à partir > des composantes spectrales significatives, au calcul de la variance réduite L de la vitesse tangentielle des masses d'air dans la cellule considérée. Celle- ci est définie de manière connue (à un facteur arbitraire près) par la relation de proportionnalité suivante:
Comme la circulation r, la variance L permet avantageusement de caractériser la force globale de la turbulence de sillage détectée dans la cellule (distance, azimut) considérée. Elle caractérise en effet la dispersion de la perturbation des masses d'air crée par la turbulence et donc le caractère plus ou moins agité de ces masses d'air.
A l'issue des étapes 524 et 525 de la tâche 52, on obtient pour chaque cellule dans laquelle une turbulence a été détectée, cellule dont la tache 51 fournit la position, deux informations L et r, permettant de caractériser la force de la turbulence détectée.
Selon l'invention, la tâche 53, a quant à elle pour double objet de permettre la détermination de certains paramètres géométriques relatifs à la turbulence détectée, ainsi que de permettre de déterminer l'âge de la turbulence ou plus exactement son degré d'évolution. A cet effet, elle comporte les étapes suivantes:
- une première étape 531 qui procède, pour chacune des cellules (distance, gisement), à la détermination des composantes du spectre doppler du signal reçu,
- une deuxième étape 532 qui procède, seulement pour les cellules dans lesquelles une turbulence a été détectée, à l'analyse des variations au cours du temps des fréquences des composantes spectrales du signal.
La première étape 531 , est réalisée à partir du modèle autorégressif déterminé au cours de l'étape 511 d'analyse doppler à haute résolution. Elle consiste principalement à déterminer les fréquences propres du modèle en calculant les racines du polynôme caractérisant le modèle. On obtient ainsi avantageusement une décomposition spectrale fine du signal reçu. La seconde étape 532, consiste quant à elle à analyser l'évolution du spectre doppler sur un intervalle de temps d'analyse Δt durant lequel les moyens de détection radar sont dirigés sur la cellule (distance, azimut) considérée. Selon l'invention pour chaque cellule dans laquelle une turbulence a été détectée, on estime la pente de variation, au cours du temps, de la fréquence de chacune des composantes du spectre doppler. Cette analyse permet avantageusement comme l'illustrent les figures 6 à 8 de déterminer le stade d'évolution de la turbulence détectée.
La figure 6 présente de manière schématique dans le plan (temps, vitesse doppler), pour une cellule (distance, azimut) donnée, l'évolution au cours du temps de la fréquence des composantes spectrales du signal correspondant à une turbulence récemment formée. Il est à noter que dans la représentation de la figure 6, comme dans celles des figures 7 et 8, les fréquences doppler sont représentées par les vitesses correspondantes exprimées en m/s. Comme on peut le constater sur la figure, la turbulence est caractérisée par un spectre dont les composantes exprimées dans l'espace des vitesses doppler (i. e. comprises entre O m/s et ±Vmax) sont nombreuses et resserrées. En outre ces composantes présentent toutes des pentes d'évolution 61 de signe positif, la valeur de chacune des composantes croissant au cours du temps. A ce stade d'évolution, la turbulence voit donc sa vitesse tangentielle croître et avec elle sa force. Il convient donc de signaler à tout aéronef approchant la zone correspondant à la cellule considérée que cette zone est fortement perturbée et que la perturbation n'a pas atteint son maximum.
La figure 7 présente de la même façon l'évolution au cours du temps de la fréquence des composantes spectrales du signal correspondant à une turbulence pouvant être qualifiée de mature. Une telle turbulence est caractérisée par un spectre dont les composantes sont moins nombreuses et plus espacées. En outre pour certaines de ces composantes 71 la fréquence doppler (et donc la vitesse) est croissante au cours du temps, tandis que pour certaines autres 72 la fréquence doppler (et donc la vitesse ) décroît au cours du temps. Certaines composantes spectrales présentent ainsi des pentes d'évolution 73 de signe positif et d'autres des pentes d'évolution 74 de signe négatif. Une telle turbulence voit donc sa vitesse tangentielle décroître par rapport au stade d'évolution précédent, décroissance qui trouve sa traduction dans l'affaiblissement de la perturbation engendrée par la turbulence et par suite du danger que celle-ci peut représenter pour un aéronef entrant dans la cellule (distance, gisement) occupée par la perturbation considérée.
La figure 8 présente de la même façon, l'évolution au cours du temps de la fréquence des composantes spectrales du signal correspondant à une turbulence en voie d'extinction. Comme on peut le constater sur la figure, la turbulence est caractérisée par un spectre dont les composantes 81 sont peu nombreuses et étalée en fréquence. En outre ces composantes présentent toutes des pentes d'évolution 82 de signe négatif, la fréquence doppler (et donc la vitesse) de chacune des composantes décroissant au cours du temps. A ce stade d'évolution, la turbulence voit donc sa vitesse tangentielle décroître et avec elle sa force. Une telle turbulence en voie d'extinction, ne produit plus, bien qu'étant toujours détectable, qu'une perturbation d'intensité modérée des masses d'air dans la cellule considérée. Suivant la taille de l'aéronef susceptible de la traverser, elle ne représente donc plus, sinon aucune menace, du moins qu'une menace modérée.
L'estimation des pentes de variation des vitesses au cours du temps peut être réalisée par différentes méthodes connues graphiques semi- graphiques ou encore algébriques, à partir des valeurs de fréquences propres fournies par l'étape 531. Ces méthodes connues par ailleurs ne sont pas décrites ici. Le temps d'observation Δt est quant à lui déterminé en fonction de l'équipement de détection radar utilisé et en particulier, dans les cas d'un radar à balayage, par l'intervalle de temps séparant deux périodes
de passage du faisceau radar dans la même direction d'observation et donc sur la même cellule (distance, gisement).
Outre la détermination du stade d'évolution de la turbulence détectée, la détermination des pentes d'évolution des fréquences doppler permet également, avantageusement, de déterminer certains paramètres liés à la géométrie de la turbulence, en particulier le facteur b de la relation [1 ] définissant r(θ) et caractérisant l'ouverture de la spirale constituant un rouleau (vortex) 21. En effet, si l'on considère les relations [3] et [5], on peut écrire:
v(r) = α r [1 1 ]
avec α =^^ = fo o [12] rc 2 - ττ - rc 2
De même l'augmentation δr du rayon r(θ) correspondant à une révolution complète (Δθ = 2π) sur la spirale autour de son centre peut être défini par la relation suivante:
r = aebθ ^ r + δr = aeb(θ+2π) = r.eb2π ^ - = eb2π [13]
^ = eb2π - 1 [14]
De la sorte, en considérant les relations [12] et [14], on peut finalement écrire:
Par suite, connaissant l'évolution de V(r), il est avantageusement possible d'estimer le paramètre b définissant les rouleaux (vortex) 21 et 22.
Pour cela, en pratique, on considère, l'évolution du spectre doppler au cours du temps telle que représentée sur les spectrogrammes des figures 6 à 8, et
on détermine, en considérant les pentes de variation de deux composantes spectrales 83 et 84, la variation δV(r) de la vitesse en fonction du rayon.
Cette variation est ensuite normalisée par la vitesse Vm(r) moyenne définie par les deux composantes spectrales choisies et illustrée par la droite pointillée 85.
Comme on peut ainsi le constater au travers de la description qui précède, le procédé selon l'invention propose, au delà de ce que proposent les procédés de l'art antérieur connu, une méthode pour déterminer, non seulement la présence d'une turbulence de sillage dans une zone donnée de l'espace, mais également la force de cette turbulence, c'est à dire l'impact négatif qu'elle pourrait avoir sur les conditions de vol d'un aéronef devant traverser la zone de l'espace considérée.
Cette caractérisation de la turbulence est en outre avantageusement complétée par la caractérisation du stade d'évolution de la turbulence (turbulence jeune, mature, ou en voie d'extinction). Cette information sur le stade d'évolution permet de déterminer en particulier le temps pendant lequel la turbulence détectée est susceptible de représenter une menace.
Cette caractérisation est encore avantageusement complétée par la détermination des paramètres relatifs à la géométrie de la turbulence, le paramètre b en particulier.
L'association de ces informations fournie par le procédé selon l'invention, permet avantageusement, lorsqu'une turbulence de sillage provoquée par le passage d'un aéronef est détectée, de déterminer de manière optimale, en tenant compte en particulier de l'aérologie de la zone (présence de vent de travers), la distance de sécurité la mieux adaptée que doivent respecter, pour leur propre sécurité, les aéronefs situés dans le sillage de l'aéronef à l'origine de la turbulence. On peut ainsi substituer cette distance de sécurité optimale, justement estimée et déterminée sans hypothèse préalable sur l'aéronef ayant provoqué la turbulence, à une distance de sécurité déterminée a priori simplement en fonction du gabarit de cet aéronef.
Il est à noter que dans la description qui précède, le procédé selon l'invention est décrit dans sa forme la plus complète, celle comportant une première étape 51 de détection, puis deux étapes indépendantes 52 et 53 de
caractérisation de la turbulence détectée. Cependant, II est bien entendu possible de considérer le procédé selon l'invention dans des formes plus simples. Ainsi, les étapes 52 et 53 étant indépendantes l'une de l'autre, on peut par exemple envisager de mettre en œuvre, sans sortir du champ couvert par le brevet, simplement les étapes de détection 51 et d'estimation 52 de la force de la turbulence détectée; ou encore simplement les étapes de détection 51 et de détermination 53 de l'âge et des paramètres géométriques de la turbulence détectée.
Claims
1 . Procédé pour détecter et qualifier l'état et l'évolution d'une turbulence de sillage provoquée par un aéronef, à partir des signaux radars réfléchis par cette turbulence, ces signaux étant analysés au travers de cellules d'analyse de dimension données en distance et gisement, caractérisé en ce qu'il comporte:
- une première étape préliminaire (51 ) de détection proprement dite pour détecter et de localiser une turbulence dans une cellule,
- une deuxième étape (52) pour déterminer la force de la turbulence détectée,
- une troisième étape (53) pour déterminer l'âge de la turbulence détectée ainsi que les paramètres géométriques qui la caractérisent;
la deuxième et la troisième étape étant mises en œuvre en parallèle, indépendamment l'une de l'autre, pour chaque cellule d'analyse pour laquelle une turbulence a été détectée à l'issue de la première étape (51 ).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la première étape principale (51 )comporte elle-même:
- une première étape (51 1 ) de décomposition spectrale à haute résolution - une deuxième étape (512) de calcul de l'entropie S du spectre doppler à haute résolution du signal reçu,
- troisième étape (513) de détection de la présence d'une turbulence pour chaque cellule d'observation, par comparaison à un seuil fixé du niveau de l'entropie S mesuré pour cette cellule;
cette première étape principale fournissant une information (55) sur la position de la turbulence détectée et une information (56) sur la richesse du spectre du signal reçu correspondant.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape (51 1 ) de décomposition spectrale à haute résolution met en œuvre une méthode d'analyse autorégressive régularisée fournissant les coefficients de réflexion μn du modèle autorégressif déterminé.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, lors de la seconde étape (512), l'entropie S est calculée à partir de la relation suivante:
où les termes μk représentent les coefficients de réflexion régularisés du modèle autorégressif du signal reçu.
5. .Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la deuxième étape principale (52) comporte elle-même:
- une première étape (521 ) de décomposition spectrale par transformation de Fourrier du signal reçu,
- une deuxième étape (522) de normalisation du spectre doppler obtenu,
- une troisième étape (523) de détection des composantes de niveau significatif du spectre doppler, par comparaison par rapport à un seuil fixé,
- une quatrième étape (524) de calcul de la circulation r de la vitesse tangentielle V(r) à l'intérieur de la turbulence,
- une cinquième étape (525) de calcul de la variance L de la vitesse tangentielle V(r) à partir des composantes significatives du spectre doppler; cette deuxième étape principale fournissant une information (57) sur la force de la turbulence détectée
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisée en ce que, lors de la quatrième étape (524), la circulation de la vitesse tangentielle V(r) est déterminée à partir des composantes significatives du spectre doppler par la relation suivante:
où F(Vi) représente la valeur de la composante Vi du spectre doppler, composante exprimée en m/s.
7. Procédé selon la revendication 5, caractérisée en ce que, lors de la cinquième étape (525), la variance L de la vitesse tangentielle est déterminée à partir des composantes significatives du spectre doppler par les relations suivantes:
min
où F(Vi) représente la valeur de la composante Vi du spectre doppler, composante exprimée en m/s.
8. procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la troisième étape principale (53) comporte elle- même:
- une première étape (531 ) de détermination des composantes fréquentielles du spectre doppler à haute résolution du signal reçu par détermination des racines du polynôme caractéristique du modèle autorégressif du signal reçu - une deuxième étape (532) d'analyse de la densité des composantes du spectre doppler et de la pente de variation de la valeur de ces composantes au cours du temps d'analyse;
cette troisième étape principale fournissant une information (58) sur le stade d'évolution de la turbulence détectée et une information (59) sur la géométrie de celle-ci.
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